基于非晶态氧化铌的钙钛矿器件光伏特性研究

作     者：江晨 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：史彦涛

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：氧化铌 非晶氧化物半导体 低温 电子传输层 钙钛矿太阳能电池 

摘      要：有机-无机杂化钙钛矿作为一种新兴的可溶液法加工的光电材料,具有消光系数高、带隙合适、载流子寿命长和缺陷容忍度高等一系列优异的光电特性。在过去的几年中,钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells,PSCs)快速发展,光电转换效率(photoelectric conversion efficiency,PCE)从2012年的9.7%迅速增加到2019年的25.2%,展现出巨大的应用潜力。电子传输层(Electron transporting layers,ETLs)作为器件中分离和提取光生电子的关键组成部分,对高效率和高稳定性的PSCs至关重要。但是,目前PSCs中通常使用的TiO纳米晶ETL需要高温(450°C以上)烧结,并且电子迁移率较低,紫外光下容易催化降解钙钛矿,这阻碍了PSCs未来柔性化、产业化的发展。非晶态NbO易于低温溶液法制备,并且电子迁移率高、带隙宽、与钙钛矿能级相匹配,具备替代TiO ETL材料的潜力。然而,Nb盐极易水解,容易造成薄膜均匀性差、杂质缺陷度高,这使得高质量NbO膜的制备仍具挑战。本论文利用配位原理控制Nb盐的水解速率,来消除NbO薄膜内部缺陷,提高NbO薄膜质量,从而实现高效率、高稳定性的PSCs器件。具体研究内容如下:首先,采用臭氧(O)作为Nb离子的配体,将O直接通入Nb盐前驱体溶液中制备O@NbO前驱体液。结果表明,O与Nb离子的强配位特性有效抑制了Nb盐的水解,这一方面使O@NbO前驱体在空气环境下保持了良好的稳定性,从而得到致密性好、可重复性高的NbO薄膜,另一方面降低了薄膜中-OH杂质的含量,提高了NbO薄膜的纯度与质量。其次,基于NbO ETL制备了平面异质结PSCs器件,并研究其光伏特性。与传统NbO相比,O@NbO ETL有着更高的电导率与光透过率、更低的缺陷态浓度以及更好的覆盖度,使其展现出更好的电子传输以及复合抑制能力。O@NbO ETL基PSCs最高PCE达到19.54%,明显高于传统NbO ETL基器件的15.60%。最后,基于O@NbO ETL的可低温制备特性,成功制备出PCE为16.42%的高效柔性PSCs。本研究不仅为制备高性能非晶态NbO薄膜提供了高效的解决方案,也为解决其他金属氧化物半导体薄膜的类似低温加工问题提供了宝贵的参考,更进一步促进了柔性PSCs的发展。